DE10153854C1 - Movement and / or positioning device - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung mit einer fünfachsigen Bewegung und/oder Positionierung eines Objektes.The present invention relates to a movement and / or positioning device with a five-axis movement and / or positioning of an object.
Die vorliegende Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung ist insbesondere bei Maschinen, welche ein Objekt in fünf Freiheitsgraden bewegen, wie beispielsweise Werkzeugmaschinen, Bearbeitungsmaschinen sowie Maschinen zur Montage und Handhabung, einsetzbar.The present movement and / or positioning device is particularly in the case of Machines that move an object in five degrees of freedom, such as Machine tools, processing machines and machines for assembly and Handling, applicable.
Bekannte Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtungen nutzen häufig Anordnungen mehrerer miteinander verbundener und aufeinander aufbauender Bewegungsplatt formen mit einem seriellen Aufbau entsprechender Bewegungsachsen der Bewe gungsplattformen. Derartige serielle Anordnungen sind beispielsweise bei konventio nellen Werkzeugmaschinen mit zwei Bewegungsplattformen realisiert, wobei die An triebsachsen einer solchen konventionellen Werkzeugmaschine aufeinander aufbau en. Dies bedeutet, dass eine erste Achse eine nachfolgende, meist orthogonal zur ersten Achse angeordnete zweite Achse mitträgt.Known movement and / or positioning devices often use arrangements several interconnected and building on each other moving plate form with a serial structure of corresponding movement axes of the movement supply platforms. Such serial arrangements are for example at konventio nelle machine tools with two motion platforms, the An drive axes of such a conventional machine tool build on one another s. This means that a first axis is a subsequent one, usually orthogonal to the the first axis arranged second axis.
In derartigen Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtungen mit seriellen Anordnun gen sind folglich zur Realisierung von fünfachsigen Bewegungen in der Regel auch fünf eigenständige Antriebe erforderlich.In such movement and / or positioning devices with serial arrangements As a rule, conditions for the realization of five-axis movements are also five separate drives required.
Bei seriellen Anordnungen ist es ausgehend von den vorstehenden Ausführungen notwendig, bei einer Bewegung bzw. Positionierung eines Objektes eine kombinierte Masse aller hintereinander geschalteter Bewegungsplattformen gemeinsam zu bewe gen. Angewandt auf die einzelnen Antriebe der Bewegungsplattformen bedeutet dies, dass von den jeweiligen ersten Antrieben einer Antriebskette die größten Massen be wegt werden müssen und dass die einzelnen Antriebe einer Antriebskette jeweils un terschiedliche Massen bewegen. Dementsprechend weisen derartige Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtungen eine geringe Dynamik bei der Bewegung bzw. Po sitionierung auf. Zudem werden eventuell auftretende Bewegungs- bzw. Positionie rungsfehler durch die gekoppelte Bewegung der Bewegungsplattformen zueinander bei der Bewegung und/oder Positionierung aufsummiert. Weiterhin weisen derartige serielle Anordnungen eine geringe Anzahl an gleichartigen Bauteilen, also Wiederho lungsbauteilen auf, wodurch eine Modularisierung nur eingeschränkt möglich ist.In the case of serial arrangements, it is based on the above explanations necessary, a combined when moving or positioning an object Mass of all successively connected movement platforms Applied to the individual drives of the movement platforms, this means that the largest masses of the respective first drives of a drive chain must be moved and that the individual drives of a drive chain each un move different masses. Accordingly, such movement and / or positioning devices have low dynamics during movement or buttocks siting on. In addition, any movement or position that may occur error due to the coupled movement of the movement platforms to each other added up during movement and / or positioning. Furthermore, such serial arrangements a small number of similar components, so repeat components, which means that modularization is only possible to a limited extent.
Als Alternative bieten sich Parallelkinematiken an. Hierzu zählen auch die allgemein als Hexapode bezeichneten Bewegungs- und/oder Positionierungsvorrichtungen, wel che sechs Führungsketten, welche auch als Streben bezeichnet werden, mit jeweils fünf Gelenkfreiheitsgraden aufweisen, wobei in der Regel eine Drehung der Streben (Führungsketten) um ihre eigene Längsachse verhindert ist. Dementsprechend wei sen die Streben jeweils ein Gelenk mit drei Freiheitsgraden und ein weiteres Gelenk mit zwei Freiheitsgraden auf, wobei ein Gelenk pro Führungskette als Antrieb ausge führt ist. Der Antrieb der Führungsketten ist als Dreh- oder Schubantrieb ausgebildet, welcher in einem Gestell gelagert oder in die Führungskette integriert ist.Parallel kinematics are an alternative. This also includes the general Movement and / or positioning devices designated as hexapods che six guide chains, which are also called struts, each with have five degrees of joint freedom, usually a rotation of the struts (Guide chains) around its own longitudinal axis is prevented. Accordingly white the struts each have a joint with three degrees of freedom and another joint with two degrees of freedom, with one joint per guide chain as the drive leads is. The drive of the guide chains is designed as a rotary or thrust drive, which is stored in a frame or integrated in the guide chain.
Somit besitzen derartige Hexapode getriebetechnisch sechs Bewegungsfreiheitsgra de. Da ein zu bewegender bzw. zu positionierender Körper grundsätzlich sechs Frei heitsgrade besitzt, werden auch sechs Antriebe benötigt, um alle sechs Freiheitsgrade zu beeinflussen. Die meisten Bearbeitungsmaschinen benötigen jedoch nur fünf steu erbare Freiheitsgrade. Das trifft z. B. für eine Fräsmaschine zu, bei welcher der sechste Freiheitsgrad die Drehung um die Achse der Frässpindel darstellt.In terms of gear technology, such hexapods thus have six degrees of freedom of movement de. Since a body to be moved or positioned is basically six free degrees, six drives are also required to achieve all six degrees of freedom to influence. Most processing machines, however, only need five tax achievable degrees of freedom. This applies e.g. B. for a milling machine, in which the sixth degree of freedom represents the rotation around the axis of the milling spindle.
Ein Nachteil bekannter Hexapoden besteht also darin, dass zu einer Erzeugung von fünf gesteuerten Freiheitsgraden sechs Antriebe verwendet werden müssen.A disadvantage of known hexapods is therefore that generation of five controlled degrees of freedom, six drives must be used.
Ein weiterer Nachteil von Hexapoden ergibt sich durch den aufgrund der sechs Füh rungsketten stark eingeschränkten Arbeitsraum, welcher sich letztlich durch die Be grenzungen der Schwenkwinkel an einem zu bewegenden Objekt bzw. einem zu be wegenden Objektträger ergibt. Grundsätzlich gilt, dass mit einer steigenden Anzahl an eingesetzten Führungsketten, also einer Gesamtzahl an eingesetzten Streben, welche ein Objekt bzw. einen Objektträger mit dem Gestell verbinden, ein zur Verfügung ste hender Arbeitsraum verkleinert wird, da größere Kollisionsbereiche zwischen den Führungsketten diesen Arbeitsraum einschränken. Another disadvantage of hexapods is due to the six feet supply chains severely restricted work space, which is ultimately determined by the limitations of the swivel angle on an object to be moved or on a be moving slide results. Basically, the number increases guide chains used, i.e. a total number of struts used, which connect an object or a slide to the rack, one available working space is reduced, since larger collision areas between the Guide chains restrict this work space.
Bekannt sind weiterhin Anordnungen zur Erzeugung fünfachsiger Bewegungen mit fünf Antrieben, welche gemischt parallel und seriell angeordnet sind. Dabei wurde vorgeschlagen, drei längenveränderliche Führungsketten (nachfolgend auch als Stre ben bezeichnet) zwischen einem Gestell und einem Objektträger parallel anzuordnen. Mit den zugehörigen Antrieben wird eine Bewegung aller fünf Achsen realisiert, wobei diese Achsen jedoch nicht getrennt steuerbar sind. Zum Ausgleich von notwendiger weise auftretenden Schwenkbewegungen weist der Objektträger zwei weitere seriell angeordnete Schwenkachsen auf.Arrangements for generating five-axis movements are also known five drives, which are mixed in parallel and arranged in series. It was proposed three variable-length guide chains (hereinafter also as Stre ben referred) to be arranged in parallel between a rack and a slide. With the associated drives, all five axes are moved, whereby however, these axes cannot be controlled separately. To compensate for necessary wise pivoting movements, the slide has two more in series arranged swivel axes.
Ein Nachteil einer derartigen Anordnung besteht darin, dass die seriell angeordneten Schwenkachsen, welche für alle Bewegungen im Raum aktiv sein müssen, eine Dy namik der Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung begrenzen. Zudem ist die er höhte Masse nachteilig, welche die Antriebe der längenveränderlichen Streben bewe gen müssen.A disadvantage of such an arrangement is that it is arranged in series Swivel axes, which must be active for all movements in the room, a Dy Limit namik of the movement and / or positioning device. In addition, he is disadvantageous mass, which move the drives of the variable-length struts must.
In der US 4,569,627 wird eine Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung vorge schlagen, bei der ausschließlich drei Streben zur Anbindung des Objektträgers an das Gestell verwandt sind. Diese drei Streben sind in ihrer Länge steuerbar. Zudem kön nen zwei der drei Streben eine Torsionsbewegung ausführen.In US 4,569,627 a movement and / or positioning device is featured hit, in which only three struts to connect the slide to the Frame are related. The length of these three struts can be controlled. In addition, NEN two of the three struts perform a torsional movement.
Ein wesentlicher Nachteil dieser Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung besteht in der Belastung der Streben in Torsions- bzw. Biegerichtung. Da die als Streben aus gebildeten Stäbe zwar eine hohe Längssteifigkeit aufweisen, in Torsions- und Biege richtung aber sehr nachgiebig sind, weist die derartige Bewegungs- und/oder Positio niervorrichtung eine begrenzte Gesamtsteifigkeit und eine begrenzte Dynamik auf.A major disadvantage of this movement and / or positioning device is in the loading of the struts in the torsion or bending direction. Because the striving out formed rods have a high longitudinal rigidity, in torsion and bending direction but are very compliant, has such movement and / or position kidney device a limited overall rigidity and a limited dynamic range.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bewegungs- und/oder Positioniervor richtung zu schaffen, welche eine hochdynamische Bewegung und/oder Positionie rung von Objekten mit fünf Freiheitsgraden ermöglicht.It is an object of the present invention to provide a movement and / or positioning to create direction, which a highly dynamic movement and / or Positionie objects with five degrees of freedom.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bewegungs- und/oder Positionier vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. According to the invention, this object is achieved by a movement and / or positioning device with the features of claim 1 solved.
Die erfindungsgemäße Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung zur fünfachsigen Bewegung und/oder Positionierung eines Objektes weist einen Objektträger und fünf Koppelglieder, welche den Objektträger in einem Gestell abstützen, auf. Vier der fünf Koppelglieder sind jeweils mittels einer ersten Gelenkanordnung mit jeweils zwei Frei heitsgraden und das entsprechend weitere der fünf Koppelglieder ist mit einer zweiten Gelenkanordnung mit einem Freiheitsgrad mit dem Objektträger verbunden.The movement and / or positioning device according to the invention for five-axis Movement and / or positioning of an object has one slide and five Coupling links that support the slide in a rack. Four of the five Coupling links are each free by means of a first joint arrangement, each with two degrees and the corresponding further of the five coupling links is with a second Joint arrangement with one degree of freedom connected to the slide.
Dementsprechend bildet die erfindungsgemäße Bewegungs- und/oder Positioniervor richtung eine Parallelkinematik mit fünf Koppelglieder für eine hochdynamische Be wegungs- und/oder Positionierung des Objektes.Accordingly, the movement and / or positioning according to the present invention direction a parallel kinematics with five coupling links for a highly dynamic loading movement and / or positioning of the object.
Gegenüber Hexapoden wird bei der vorliegenden Bewegungs- und/oder Positionier vorrichtung ein Koppelglied (und damit auch ein Antriebsstrang) eingespart. Dadurch wird ein vergleichsweise großer Arbeitsraum und insbesondere auch ein großer An stellwinkel des Objektträgers sichergestellt. Folglich weist die vorliegende Bewe gungs- und/oder Positioniervorrichtung ein vorteilhafteres Verhältnis zwischen not wendigem Bauraum und nutzbarem Arbeitsraum auf.Compared to hexapods, the movement and / or positioning in the present case device saved a coupling link (and thus also a drive train). Thereby becomes a comparatively large work area and in particular also a large area Setting angle of the slide ensured. Consequently, the present Bewe supply and / or positioning device a more advantageous ratio between not manoeuvrable installation space and usable work space.
Mit der Kombination der ersten und der zweiten Gelenkanordnung am Objektträger wird eine hohe Steifigkeit erreicht. Die für eine derartige hochdynamische Bewegung notwendige Steifigkeit ergibt sich dabei insbesondere dadurch, dass die auf ein Ob jekt, beispielsweise eine Frässpindel, in einem kartesischen Koordinatensystem in allen drei Koordinatenrichtungen X, Y und Z angreifenden Kräfte ausschließlich als Längskräfte in die Koppelglieder eingeleitet werden. Zudem werden auch Momente, welche in den zwei Schwenkrichtungen am Objekt angreifen, ausschließlich als Längskräfte in die Koppelglieder eingeleitet. Weiterhin wirkt sich die Reduzierung der Anzahl an Freiheitsgraden der zweiten Gelenkanordnung dahingehend aus, dass die Drehung des Objektträgers um eine Längsachse desselben, in die Strebe, welche mittels dieser zweiten Gelenkanordnung mit dem Objektträger verbunden ist, als Bie gungs- und/oder Torsionsbelastung eingeleitet wird.With the combination of the first and the second joint arrangement on the slide high rigidity is achieved. The one for such a highly dynamic movement necessary stiffness arises in particular from the fact that the on an ob ject, for example a milling spindle, in a Cartesian coordinate system in forces acting in all three coordinate directions X, Y and Z exclusively as Longitudinal forces are introduced into the coupling links. In addition, moments which attack the object in the two swivel directions, exclusively as Longitudinal forces are introduced into the coupling links. The reduction of Number of degrees of freedom of the second joint arrangement such that the Rotation of the slide about a longitudinal axis of the same, in the strut, which is connected to the slide by means of this second joint arrangement, as Bie tion and / or torsional load is initiated.
Die Steifigkeit der vorliegenden Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung wird da bei mit vergleichsweise kleinen Massen der Maschinenbauelemente erreicht, wodurch gute dynamische Eigenschaften ermöglicht sind. The rigidity of the present movement and / or positioning device is there reached with comparatively small masses of the mechanical components, whereby good dynamic properties are enabled.
Die erfindungsgemäße Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung weist zudem eine hohe Modularität, also eine hohe Anzahl an Wiederholungsbauteilen auf.The movement and / or positioning device according to the invention also has a high modularity, i.e. a high number of repeat components.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Bewegungs- und/oder Po sitioniervorrichtung eine erste Art an ersten Gelenkanordnungen mit zwei Gelenkach sen auf, wobei eine der beiden Gelenkachsen mit einer Längsachse des Objektträ gers und/oder einer Längsachse des Objektes überlagert ist, und die beiden Gelenk achsen schnittpunktsfrei zueinander angeordnet sind. Bevorzugterweise sind die ersten der beiden Gelenkachsen sämtlicher erster Gelenkanordnungen der ersten Art mit der gleichen Längsachse des Objektträgers und/oder des Objektes überlagert an geordnet. Die beiden Gelenkachsen der ersten Art an ersten Gelenkanordnungen können dabei senkrecht zueinander angeordnet sein. Zudem kann die erste Art an ersten Gelenkanordnungen einen Gelenkring aufweisen, welcher den Objektträger drehbar um die Längsachse des Objektträgers abstützt, wobei der Gelenkring mit dem zugehörigen Koppelglied über ein weiteres Gelenk mit einem Freiheitsgrad, insbeson dere ein Schamiergelenk, verbunden ist.According to a preferred embodiment, the movement and / or buttocks sitioniervorrichtung a first type on first joint arrangements with two articulation sen, one of the two hinge axes with a longitudinal axis of the object carrier gers and / or a longitudinal axis of the object is superimposed, and the two joints axes are arranged without intersection with each other. They are preferably first of the two joint axes of all first joint arrangements of the first type superimposed on the same longitudinal axis of the slide and / or the object orderly. The two joint axes of the first type on first joint arrangements can be arranged perpendicular to each other. In addition, the first type can first hinge assemblies have a hinge ring which is the slide rotatably supported about the longitudinal axis of the slide, the hinge ring with the associated coupling link via a further joint with a degree of freedom, in particular which is connected by a hinge.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die vorliegende Be wegungs- und/oder Positioniervorrichtung eine zweite Art an ersten Gelenkanordnun gen mit einem Kardanischen Gelenk, insbesondere einem Kreuzgelenk, mit zwei Ge lenkachsen auf, wobei die Gelenkachsen desselben sich in einem Gelenkpunkt schneiden. Dieser Gelenkpunkt der zweiten Art an ersten Gelenkanordnungen kann auf der Längsachse des Objektträgers und/oder der Längsachse des Objektes ange ordnet sein.According to a further preferred embodiment, the present invention movement and / or positioning device a second type on the first joint arrangement gene with a cardan joint, in particular a universal joint, with two Ge Steering axles, the articulation axes of which are at an articulation point to cut. This hinge point of the second type on first hinge arrangements can on the longitudinal axis of the slide and / or the longitudinal axis of the object to be in order.
Die vorgenannten vier der fünf Koppelglieder können jeweils mittels einer ersten Ge lenkanordnung der ersten Art oder jeweils mittels einer ersten Gelenkanordnung der zweiten Art oder mittels ersten Gelenkanordnungen der ersten und der zweiten Art mit dem Objektträger verbunden sein.The aforementioned four of the five coupling links can each be by means of a first Ge Steering arrangement of the first type or in each case by means of a first joint arrangement of the of the second type or by means of first joint arrangements of the first and the second type be connected to the slide.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die zweite Gelenkan ordnung einen Gelenkring auf, wobei der Gelenkring den Objektträger drehfest um die Längsachse des Objektträgers und/oder die Längsachse des Objektes abstützt und mit dem zugehörigen Koppelglied über ein Gelenk mit einem Freiheitsgrad, insbeson dere ein Schamiergelenk, verbunden ist. Insbesondere in diesem Ausführungsbeispiel ist die Modularität der vorliegenden Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung hochgradig erfüllt.According to a further preferred embodiment, the second hinge has arrange a hinge ring, the hinge ring rotating the slide around the Longitudinal axis of the slide and / or the longitudinal axis of the object supports and with the associated coupling link via a joint with a degree of freedom, in particular which is connected by a hinge. In particular in this embodiment is the modularity of the present movement and / or positioning device highly satisfied.
Alternativ kann die zweite Gelenkanordnung ein Gelenk mit einem Freiheitsgrad, ins besondere ein Scharniergelenk, aufweisen, wobei dieses Gelenk das zugehörige Koppelglied unmittelbar mit dem Objektträger verbindet und den Objektträger drehfest um die Längsachse des Objektes abstützt.Alternatively, the second joint arrangement can be a joint with one degree of freedom, ins have a hinge joint, this joint being the associated one Coupling link connects directly to the slide and the slide rotatably is supported around the longitudinal axis of the object.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Koppelglieder je weils mittels einer Kardanischen Aufhängung mit zwei Freiheitsgraden im Gestell ge lagert.According to a further preferred embodiment, the coupling links are each because ge by means of a gimbal with two degrees of freedom in the frame outsourced.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Abstand zwischen den einzelnen Kardanischen Aufhängungen und den ersten Gelenkanordnungen und der zweiten Gelenkanordnung längenveränderlich ausgebildet. Dabei können die Koppelglieder als Gewindespindeln ausgebildet sein, wobei die Gewindespindeln in den Kardanischen Aufhängungen jeweils in einer Halteeinrichtung mit Innengewinde, insbesondere einer Mutter, aufgenommen sind, und wobei die Mutter bezüglich einer Längsachse der Gewindespindeln mittels einer Antriebseinrichtung drehbar ist.According to a particularly preferred embodiment, there is a distance between the individual gimbals and the first joint arrangements and the second joint arrangement is variable in length. The Coupling links can be designed as threaded spindles, the threaded spindles in the gimbals in a holder with an internal thread, especially a mother, and wherein the mother with respect to a Longitudinal axis of the threaded spindles is rotatable by means of a drive device.
Gleichzeitig oder alternativ zu der Ausbildung der Koppelglieder als Gewindespindeln kann zwischen den ersten Gelenkanordnungen und der zweiten Gelenkanordnung jeweils eine längenveränderliche Einrichtung, insbesondere ein Hubzylinder, ange ordnet sein, wobei ein Drehfreiheitsgrad um eine Längsachse des Hubzylinders mit tels einer Antriebseinrichtung ermöglicht ist.Simultaneously or alternatively to the design of the coupling links as threaded spindles can between the first joint arrangements and the second joint arrangement each have a variable-length device, in particular a lifting cylinder be arranged with a degree of freedom of rotation about a longitudinal axis of the lifting cylinder means of a drive device is made possible.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Abstand zwischen den einzelnen Kardanischen Aufhängungen und den ersten Gelenkanordnungen oder der zweiten Gelenkanordnung längenunveränderlich ausgebildet, wobei die Kardani schen Aufhängungen jeweils entlang einer Achse im Raum, insbesondere entlang einer Längsachse der Koppelglieder, beweglich angeordnet sind. According to a further preferred exemplary embodiment, there is a distance between the individual gimbals and the first joint arrangements or the second joint arrangement is designed to be invariable in length, the cardan suspension in each case along an axis in space, in particular along a longitudinal axis of the coupling links are movably arranged.
Die erfindungsgemäße Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung ist insbesondere als Bearbeitungsmaschine ausgebildet, wobei das Objekt eine Spindel und der Ob jektträger ein Spindelgehäuse umfasst.The movement and / or positioning device according to the invention is in particular designed as a processing machine, the object being a spindle and the ob slide comprises a spindle housing.
Bevorzugterweise weist die vorliegende Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung einen Maschinentisch mit einer weiteren Drehachse, insbesondere zur Aufnahme ei nes zu bearbeitenden Werkstückes, auf. Die Drehachse des Maschinentisches kann der Längsachse des Objektträgers und/oder der Längsachse des Objektes überlagert sein.The present movement and / or positioning device preferably has a machine table with a further axis of rotation, in particular for holding egg workpiece to be machined. The axis of rotation of the machine table can superimposed on the longitudinal axis of the slide and / or the longitudinal axis of the object his.
Durch Hinzufügen einer derartigen weiteren Drehachse, welche im Maschinentisch angeordnet ist, wird insbesondere bei Bearbeitungsmaschinen eine vollständige 5- Seiten-Bearbeitung eines Werkstückes ermöglicht.By adding such a further axis of rotation, which is in the machine table is arranged, especially in processing machines, a complete 5- Side machining of a workpiece enables.
Die erfindungsgemäße Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung kann eine Steu ereinheit zur Steuerung der Bewegung und/oder Positionierung des Objektträgers und/oder des Objektes umfassen. Zudem kann die Steuereinheit programmierbar, insbesondere als NC-Steuereinheit, ausgebildet sein. Die NC-Steuereinheit kann ge nau fünf Programmierachsen enthalten, wobei die NC-Steuereinheit einen Pro grammbaustein zu einer Erzeugung von sechs Maschinenachsen aus den fünf im Programm vorgegeben Programmierachsen aufweist, und wobei die sechs Maschi nenachsen den einzelnen Koppelgliedern und der Drehachse des Maschinentisches zuordenbar sind. Der Programmbaustein der NC-Steuereinheit kann zu einer Berech nung eines Gütekriteriums und eines Extremwertes für das Gütekriterium vorgesehen sein, wobei mittels des Extremwertes eine Einstellung der Drehachsen des Maschi nentisches bestimmbar ist.The movement and / or positioning device according to the invention can be a control Unit for controlling the movement and / or positioning of the slide and / or the object. In addition, the control unit can be programmed in particular as an NC control unit. The NC control unit can contain only five programming axes, whereby the NC control unit has a Pro Gram block for generating six machine axes from the five in Program has predetermined programming axes, and the six machines axes of the individual coupling links and the axis of rotation of the machine table are assignable. The program block of the NC control unit can be used for a calculation provision of a quality criterion and an extreme value for the quality criterion be, by means of the extreme value an adjustment of the axes of rotation of the machine is identifiable.
Gemäß einem weiteren besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Gestell als ein Ikosaeder ausgebildet, wobei die Kardanischen Aufhängungen auf ausge wählten Flächen desselben angeordnet sind.According to a further particularly preferred exemplary embodiment, the frame is formed as an icosahedron, with the gimbals on out selected areas of the same are arranged.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Bewegungs- und/oder Positioniervor richtung sind in den entsprechenden weiteren abhängigen Ansprüchen dargelegt.Further preferred embodiments of the movement and / or positioning direction are set out in the corresponding further dependent claims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:The invention is described below on the basis of preferred exemplary embodiments in Connection explained in more detail with the associated drawings. In the drawings demonstrate:
Fig. 1 eine schematische räumliche Darstellung eines Ausführungsbeispieles der vorliegenden Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung, Fig. 1 is a schematic dimensional view of a embodiment of the present movement and / or positioning device,
Fig. 1a eine vergrößerte Darstellung eines Objektträgers nach Fig. 1 mit einer Aufhängung desselben und einem in demselben aufgenommenen Objekt, Fig. 1a is an enlarged view of the same of a slide according to Fig. 1 with a suspension and an image taken in the same object,
Fig. 2 eine schematische räumliche Darstellung eines weiteren Ausführungsbei spieles, Fig. 2 is a schematic three-dimensional view of a further Ausführungsbei game,
Fig. 2a eine vergrößerte Darstellung des Objektträgers nach Fig. 2 mit einer Auf hängung derselben und einem in demselben aufgenommenen Objekt, FIG. 2a is an enlarged view of the slide of FIG. 2 with a hanging on the same and an image taken in the same object,
Fig. 3 eine schematische räumliche Darstellung eines weiteren Ausführungsbei spieles mit einem drehbeweglichen Maschinentisch, und Fig. 3 is a schematic spatial representation of another game Ausführungsbei with a rotating machine table, and
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Draufsicht und zweier Seitenansich ten eines Ausführungsbeispieles eines Gestelles der vorliegenden Bewe gungs- und/oder Positioniervorrichtung. Fig. 4 is a schematic representation of a plan view and two Seitenansich th embodiment of a frame of the present movement and / or positioning device.
In Fig. 1 und 1a ist ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung am Anwendungsfall einer Bearbeitungsmaschine dar gestellt. Eine Bearbeitung eines in Fig. 3 gezeigten Werkstückes 11 erfolgt mittels einer Frässpindel 2, welche nachfolgend verallgemeinert als zu bewegendes bzw. zu positionierendes Objekt bezeichnet ist. Die Frässpindel 2 ist in einem rohrförmig aus gebildeten Spindelträger 1 drehbeweglich aufgenommen, wobei der Spindelträger 1 nachfolgend verallgemeinert als Objektträger bezeichnet wird, und wobei Spindelträ ger 1 (Objektträger) und Frässpindel 2 (Objekt) in diesem Ausführungsbeispiel eine mechanische Einheit bilden. Ein Antrieb und eine Steuerung einer Drehbewegung der Frässpindel 2 kann beispielsweise mittels einer in dem Spindelträger 1 angeordneten (nicht gezeigten) Antriebseinheit erfolgen. In Fig. 1 and 1a is placed illustrates a first embodiment of the present movement and / or positioning on the application of a processing machine. Machining of a workpiece 11 shown in FIG. 3 takes place by means of a milling spindle 2 , which in the following is generally referred to as an object to be moved or positioned. The milling spindle 2 is rotatably received in a tubular spindle carrier 1 , the spindle carrier 1 hereinafter being generally referred to as a slide, and wherein spindle carrier 1 (slide) and milling spindle 2 (object) form a mechanical unit in this exemplary embodiment. A drive and control of a rotary movement of the milling spindle 2 can take place, for example, by means of a drive unit (not shown) arranged in the spindle carrier 1 .
Eine Längsachse des Objektträgers 1 und eine Längsachse der Frässpindel 2 sind koaxial zueinander angeordnet. Demzufolge stimmt in dem gezeigten Ausführungs beispiel die Längsachse (Symmetrieachse) des Spindelträgers 1 mit der Längsachse der Spindel (Spindelachse) überein, wobei die vorliegende Bewegungs- und/oder Po sitioniervorrichtung nicht auf diese koaxiale Anordnung der Längsachsen beschränkt ist. Vielmehr kann insbesondere die Längsachse der Frässpindel 2 auch exzentrisch zu der Längsachse des Objektträgers 1 angeordnet sein, ohne dass wesentliche Än derungen der vorliegenden Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung notwendig wären.A longitudinal axis of the slide 1 and a longitudinal axis of the milling spindle 2 are arranged coaxially to one another. Accordingly, in the embodiment shown, for example, the longitudinal axis (axis of symmetry) of the spindle carrier 1 matches the longitudinal axis of the spindle (spindle axis), the present movement and / or positioning device being not limited to this coaxial arrangement of the longitudinal axes. Rather, in particular the longitudinal axis of the milling spindle 2 can also be arranged eccentrically to the longitudinal axis of the specimen slide 1 , without essential changes of the present movement and / or positioning device being necessary.
In dem in den Fig. 1 und 1a gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Frässpindel 2 im Spindelträger 1 entlang einer als Z-Achse bezeichneten Achse angeordnet, d. h. in der in den Fig. 1 und 1a gezeigten Stellung des Objektträgers 1 stimmt die Längsachse des Objektträgers 1 mit der dargestellten Z-Achse des kartesischen Koordinatensys tems überein. Die Z-Achse bezeichnet dabei die vertikale Achse des kartesischen Koordinatensystems im Raum, wobei diese eine z-Achse im Koordinatensystem des (Maschinen-)Gestells 12 und eine z-Achse im Koordinatensystem des Objektträgers 1 umfassen kann. Die z-Achse im Koordinatensystem des (Maschinen-)Gestells 12 und die z-Achse im Koordinatensystem des Objektträgers 1 sind dabei ausschließlich in der Mittelpunktposition beider Achsen identisch.In which in Figs. 1 and embodiment 1A, the spindle 2 is arranged in the spindle support 1 along a direction indicated as the Z axis, that is, in the embodiment shown in Figs. 1 and 1a position of the object holder 1 adjusts the longitudinal axis of the object holder 1 with the Z axis of the Cartesian coordinate system shown. The Z axis denotes the vertical axis of the Cartesian coordinate system in space, which can include a z axis in the coordinate system of the (machine) frame 12 and a z axis in the coordinate system of the slide 1 . The z axis in the coordinate system of the (machine) frame 12 and the z axis in the coordinate system of the slide 1 are identical only in the center position of both axes.
Eine durch die weiteren Achsen des kartesischen Koordinatensystems aufgespannte X,Y-Ebene wird in Fig. 3 durch den Maschinentisch definiert. Der Objektträger 1 und damit auch die Frässpindel 2 wird bezüglich der Z-Achse und in einer zur X,Y-Ebene parallelen Ebene verschwenkt. Eine derartige Schwenkbewegung ist in Fig. 3 darge stellt, wobei der Objektträger 1 in der in Fig. 3 gezeigten Stellung gegenüber der Z- Achse und in einer zur X,Y-Ebene parallelen Ebene verschwenkt ist.An X, Y plane spanned by the other axes of the Cartesian coordinate system is defined in FIG. 3 by the machine table. The specimen slide 1 and thus also the milling spindle 2 are pivoted with respect to the Z axis and in a plane parallel to the X, Y plane. Such a pivoting movement is shown in Fig. 3 Darge, wherein the slide 1 is pivoted in the position shown in Fig. 3 with respect to the Z axis and in a plane parallel to the X, Y plane.
Der Objektträger 1 durchsetzt in dem in den Fig. 1, 1a und 3 gezeigten Ausführungs beispiel fünf Gelenkringe 3, 3a, wobei der Objektträger 1 in vier der fünf Gelenkringe 3 drehbeweglich um die Längsachse des Objektträgers 1 aufgenommen ist. Der weite re, fünfte Gelenkring 3a ist fest mit einer rohrförmigen Mantelfläche des Objektträgers 1 verbunden, wodurch derselbe drehfest bezüglich der Längsachse des Objektträgers 1 ist. Für die drehfeste Verbindung kann jede der fünf dargestellten Gelenkscheiben 3, 3a ausgewählt werden. Entscheidend ist lediglich, dass der Objektträger 1 in einem der Gelenkringe 3a drehfest und den entsprechend weiteren Gelenkringen 3 drehbar bezüglich der Längsachse des Objektträgers 1 aufgenommen ist.The slide 1 passes through in the embodiment shown in FIGS . 1, 1a and 3, for example five hinge rings 3 , 3 a, the slide 1 being rotatably received in four of the five hinge rings 3 about the longitudinal axis of the slide 1 . The wide right, fifth hinge ring 3 a is firmly connected to a tubular outer surface of the slide 1 , whereby the same is rotatably with respect to the longitudinal axis of the slide 1 . Each of the five articulated disks 3 , 3 a shown can be selected for the rotationally fixed connection. The only decisive factor is that the specimen slide 1 is accommodated in a rotationally fixed manner in one of the articulated rings 3 a and rotatably in the corresponding further articulated rings 3 with respect to the longitudinal axis of the specimen slide 1 .
In dem in den Fig. 1 und 1a dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Gelenkringe 3, 3a in zwei Gruppen mit einmal drei und einmal zwei Gelenkringen angeordnet, wobei diese beiden Gruppen in einem größeren Abstand zueinander angeordnet sind. Eine derartige Gruppierung und ein Abstand zwischen derartigen Gruppen kann anhand der konstruktiven Rahmenbedingungen bezüglich des vorhandenen Bauraumes, des notwendigen Arbeitsraumes und des notwendigen Schwenkwinkels gewählt werden.In the embodiment shown in FIGS . 1 and 1a, the hinge rings 3 , 3 a are arranged in two groups with once three and once two hinge rings, these two groups being arranged at a greater distance from one another. Such a grouping and a distance between such groups can be selected on the basis of the structural framework with regard to the available installation space, the necessary working space and the necessary swivel angle.
Weiterhin ist jeder der fünf Gelenkringe 3, 3a mit einem weiteren Gelenk 4 mit jeweils einem Freiheitsgrad verbunden. Die vier Gelenkringe 3, in denen der Objektträger 1 drehbeweglich um die Längsachse des Objektträgers 1 aufgenommen ist, bilden je weils mit einem dieser weiteren Gelenke 4 mit einem Freiheitsgrad eine sogenannte erste Gelenkanordnung.Furthermore, each of the five joint rings 3, 3 a connected to a further joint 4 with one degree of freedom. The four hinge rings 3 , in which the specimen slide 1 is rotatably received about the longitudinal axis of the specimen slide 1 , each form a so-called first joint arrangement with one of these further joints 4 with one degree of freedom.
Diese jeweils aus einem Gelenkring 3 und einem Gelenk 4 bestehende erste Gelenk anordnung weist folglich eine erste Gelenkachse auf, welche mit der Längsachse des Objektträgers 1 zusammenfällt. Die Spindelachse, d. h. die Längsachse des Objektes 2, ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel so angeordnet, dass diese mit eben die ser Gelenkachse der ersten Gelenkanordnung zusammenfällt. Weiterhin fallen die ersten Gelenkachsen sämtlicher erster Gelenkanordnungen mit ein- und derselben Längsachse der Objektträgers 1 zusammen.This first joint arrangement, each consisting of a joint ring 3 and a joint 4 , consequently has a first joint axis which coincides with the longitudinal axis of the specimen slide 1 . The spindle axis, ie the longitudinal axis of the object 2 , is arranged in the exemplary embodiment shown in such a way that it coincides with the joint axis of the first joint arrangement. Furthermore, the first joint axes of all first joint arrangements coincide with one and the same longitudinal axis of the specimen slide 1 .
Zudem weist die erste Gelenkanordnung eine zweite Gelenkachse auf, welche mit der Gelenkachse des Gelenkes 4 mit einem Freiheitsgrad zusammenfällt. Die zweiten Gelenkachsen der ersten Gelenkanordnung, also die Gelenkachsen der weiteren Gelenke 4 mit einem Freiheitsgrad, sind dabei senkrecht zur jeweiligen ersten Ge lenkachse, also dementsprechend senkrecht zur Längsachse des Objektträgers an geordnet. Zudem sind die ersten und zweiten Gelenkachsen der ersten Gelenkanord nung schnittpunktfrei zueinander angeordnet. In addition, the first joint arrangement has a second joint axis, which coincides with the joint axis of the joint 4 with one degree of freedom. The second articulation axes of the first articulation arrangement, that is to say the articulation axes of the further articulations 4 with a degree of freedom, are arranged perpendicular to the respective first articulation axis, that is accordingly perpendicular to the longitudinal axis of the slide. In addition, the first and second articulation axes of the first articulation are arranged without intersection with one another.
Die beweglichen Bauteile der Gelenke 4 mit einem Freiheitsgrad sind fest mit Koppel gliedern 5, welche in den Fig. 1, 1a und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel als Gewin destreben ausgebildet sind, verbunden. Folglich weist die vorliegende Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung im gezeigten Ausführungsbeispiel fünf Gewindestre ben 5 auf, welche auf der Gestellseite zu einer Halteeinrichtung mit Innengewinde, in diesem Ausführungsbeispiel jeweils einer Mutter 6, führen. Die Muttern 6 sind jeweils an einer Kardanischen Aufhängung 7 mit jeweils zwei Freiheitsgraden befestigt. Die Kardanischen Aufhängungen 7 wiederum sind einzeln an dem Gestell (auch als Rah men bezeichnet) befestigt.The movable components of the joints 4 with a degree of freedom are fixed with coupling elements 5 , which are designed as struts in the embodiment shown in FIGS . 1, 1a and 3. Consequently, the present movement and / or positioning device in the exemplary embodiment shown has five threaded struts 5 , which lead to a holding device with an internal thread on the frame side, in this exemplary embodiment a nut 6 in each case. The nuts 6 are each attached to a gimbal 7 with two degrees of freedom. The gimbals 7 are in turn individually attached to the frame (also referred to as men).
In den in den Fig. 1, 2,3 dargestellten Ausführungsbeispielen weisen diese Kardani schen Aufhängungen 7 jeweils zwei rotatorische Freiheitsgrade im Gestell auf. Diese Kardanischen Aufhängungen 7 sind jeweils durch zwei ringförmige Elemente verwirk licht, wobei ein äußerer Ring einen inneren Ring aufnimmt und dieser innere Ring im äußeren Ring drehbeweglich um eine Achse des inneren Ringes gelagert ist. Der äu ßere Ring wiederum ist im Gestell 12 der vorliegenden Bewegungs- und/oder Positio niervorrichtung drehbeweglich um eine Achse des äußeren Ringes gelagert. In die sem Ausführungsbeispiel sind die Achsen des inneren und des äußeren Ringes senk recht zueinander angeordnet.In the embodiments shown in FIGS . 1, 2, 3, these gimbals 7 each have two rotational degrees of freedom in the frame. These gimbals 7 are each realized by two annular elements light, an outer ring receiving an inner ring and this inner ring is rotatably supported in the outer ring about an axis of the inner ring. The outer ring is in turn mounted in the frame 12 of the present movement and / or positioning device rotatably about an axis of the outer ring. In this embodiment, the axes of the inner and outer rings are arranged perpendicular to each other.
Die Muttern 6 werden relativ zur Kardanischen Aufhängung 7 mittels einzelnen An triebseinrichtungen drehend bezüglich der Längsachse der Gewindestreben bewegt. Durch eine derartige Drehung der Muttern 6 ändert sich ein Abstand zwischen einem Mittelpunkt der einzelnen Kardanischen Aufhängungen 7 und dem Objekt 2, also im gezeigten Ausführungsbeispiel der Frässpindel.The nuts 6 are moved relative to the gimbal 7 by means of individual drive devices to rotate with respect to the longitudinal axis of the threaded struts. Such a rotation of the nuts 6 changes a distance between a center point of the individual gimbals 7 and the object 2 , that is to say in the exemplary embodiment shown, the milling spindle.
Mittels einer derartigen Veränderung eines Abstandes bezüglich aller fünf Gewinde streben 5 kann die Frässpindel 2 in fünf Freiheitsgraden bewegt werden.By means of such a change in the distance with respect to all five threads 5 , the milling spindle 2 can be moved in five degrees of freedom.
Dementsprechend ist in den Fig. 1, 1a und 3 eine Bewegungs- und/oder Positionier vorrichtung mit fünf Koppelgliedern (Streben) gezeigt, welche ein Gestell mit einem zu positionierenden Objekt 2 verbinden, wobei vier der fünf Streben mit ersten Gelenk anordnungen, welche jeweils zwei Freiheitsgrade aufweisen, und eine Strebe mit ei ner zweiten Gelenkanordnung, welche einen Freiheitsgrad aufweist, an dem Objekt träger 1 angebunden sind. Dabei ist jeweils eine der Gelenkachsen der ersten Ge lenkanordnung, koaxial zu der Längsachse des Objektträgers 1 sind. Zudem sind die beiden Gelenkachsen der ersten Gelenkanordnung, welche jeweils zwei Freiheitsgra de aufweisen, schnittpunktfrei zueinander angeordnet.Accordingly, in Fig. 1, 1a and 3, a movement and / or positioning device with five coupling members (struts) is shown, which connect a frame with an object to be positioned 2 , four of the five struts with first joint arrangements, each have two degrees of freedom, and a strut with egg ner second joint arrangement, which has a degree of freedom, are connected to the object carrier 1 . In this case, one of the joint axes of the first Ge steering arrangement, which are coaxial to the longitudinal axis of the specimen slide 1 . In addition, the two hinge axes of the first hinge arrangement, which each have two degrees of freedom, are arranged without intersection with one another.
Dabei ist in den Fig. 1, 1a und 3 ein Ausführungsbeispiel mit fünf identischen Gelenk kombinationen mit jeweils zwei Freiheitsgraden dargestellt, wobei die identischen Gelenkkombinationen jeweils einen Gelenkring 3, 3a und ein weiteren Gelenk 4 mit einem Freiheitsgrad umfassen, wobei vier der Gelenkkombinationen drehbar um die Längsachse des Objektträgers 1 und eine der Gelenkkombinationen drehfest um die Längsachse des Objektträgers 1 ausgebildet sind.Here, in FIGS. 1, 1a and 3, an embodiment with five identical joint combinations, each with two degrees of freedom shown, each identical joint combinations include a joint ring 3, 3 a, and a further joint 4 with a degree of freedom, wherein four of the joint combinations rotatably around the longitudinal axis of the specimen slide 1 and one of the joint combinations are designed to be non-rotatable about the longitudinal axis of the specimen slide 1 .
Die Forderung nach Modularität ist damit hochgradig erfüllt.The demand for modularity is thus met to a high degree.
In den Fig. 2 und 2a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Bewe gungs- und/oder Positioniervorrichtung zur fünfachsigen Bewegung und/oder Positio nierung eines Objektes gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist einer der Gelenk ringe 3 aus dem in den Fig. 1 und 1a gezeigten Ausführungsbeispiel, welche den Ob jektträger 1 drehbeweglich aufnehmen, durch ein Kardanisches Gelenk, in diesem Ausführungsbeispiel ein Kreuzgelenk 8, ersetzt. Die Gelenkachsen dieses Kreuzge lenkes 8 schneiden sich in einem Gelenkpunkt 9, wobei dieser Gelenkpunkt 9 auf der Längsachse des Objektträges 1 angeordnet ist. Die Längsachse des Objektträgers 1 stimmt in diesem Ausführungsbeispiel mit der Spindelachse überein.In Figs. 2 and 2a, another embodiment of the present BEWE is gungs- and / or positioning device for five-axis movement and / or discrimination of an object positio shown. In this exemplary embodiment, one of the joint rings 3 from the exemplary embodiment shown in FIGS . 1 and 1a, which accommodates the object carrier 1 rotatably, is replaced by a cardan joint, in this exemplary embodiment a universal joint 8 . The hinge axes of this Kreuzge joint 8 intersect at a hinge point 9 , this hinge point 9 being arranged on the longitudinal axis of the object holder 1 . The longitudinal axis of the slide 1 coincides with the spindle axis in this embodiment.
Weiterhin weist das in den Fig. 2 und 2a gezeigte Ausführungsbeispiel drei weitere Gelenkringe 3 auf, welche den Objektträger 1 drehbeweglich bezüglich der Längsach se desselben aufnehmen.Furthermore, the embodiment shown in FIGS . 2 and 2a has three further articulation rings 3 which receive the specimen slide 1 rotatably with respect to the longitudinal axis thereof.
Zudem weist das in den Fig. 2 und 2a gezeigte Ausführungsbeispiel einen Gelenkring 3a auf, der den Objektträger 1 drehfest um die Längsachse desselben abstützt.In addition, the exemplary embodiment shown in FIGS . 2 and 2a has an articulated ring 3 a, which supports the specimen slide 1 in a rotationally fixed manner about the longitudinal axis thereof.
Die weiteren Merkmale des in den Fig. 2 und 2a gezeigten Ausführungsbeispieles entsprechen den Merkmalen des in Zusammenhang mit den Fig. 1 und 1a beschrie benen Ausführungsbeispieles. The further features of the embodiment shown in FIGS . 2 and 2a correspond to the features of the embodiment described in connection with FIGS . 1 and 1a.
Folglich weist das in den Fig. 2 und 2a gezeigte Ausführungsbeispiel ein Kreuzgelenk 8 mit zwei Freiheitsgraden und sich in einem Gelenkpunkt 9 schneidenden Gelenk achsen auf, wobei dieser Gelenkpunkt 9 auf der Längsachse des Objektträgers 1, angeordnet ist.Consequently, the exemplary embodiment shown in FIGS. 2 and 2a has a universal joint 8 with two degrees of freedom and axes intersecting in a joint point 9 , this joint point 9 being arranged on the longitudinal axis of the specimen slide 1 .
Alle Mischformen zwischen den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen, welche in den Fig. 1, bzw. 1a und 2 bzw. 2a gezeigt sind, sind realisierbar. Folglich kann ein Teil der Koppelglieder (Streben) mit ersten Gelenkanordnungen mit getrennten Gelenk achsen, von denen eine die Längsachse des Objektträgers 1 ist, und der entspre chend andere Teil mit ersten Gelenkanordnungen mit sich schneidenden Gelenkach sen, deren Schnittpunkt auf der Längsachse des Objektträgers 1 liegt, mit dem Ob jektträger 1 verbunden sein.All mixed forms between the different exemplary embodiments, which are shown in FIGS. 1 and 1a and 2 and 2a, can be implemented. Consequently, part of the coupling members (struts) with first joint arrangements with separate joint axes, one of which is the longitudinal axis of the specimen slide 1 , and the corresponding other part with first joint arrangements with intersecting joint axes, the intersection of which on the longitudinal axis of the specimen slide 1 is connected to the object carrier 1 .
Bei allen diesen Mischformen ist eine der Streben über eine zweite Gelenkanordnung mit genau einem Freiheitsgrad mit dem Objektträger verbunden. Die zweite Gelenk anordnung ist also gegenüber den ersten Gelenkanordnung der übrigen Streben um ein Freiheitsgrad reduziert. Dadurch werden Torsionskräfte des Objektträgers 1 um die Längsachse des Objektträgers 1 als Biege- oder Torsionskräfte ausschließlich auf eben diese Strebe mit der zweiten Gelenkanordnung übertragen.In all of these mixed forms, one of the struts is connected to the specimen slide with exactly one degree of freedom via a second joint arrangement. The second joint arrangement is thus reduced by one degree of freedom compared to the first joint arrangement of the other struts. As a result, torsional forces of the specimen slide 1 about the longitudinal axis of the specimen slide 1 are transmitted as bending or torsional forces exclusively to this strut with the second joint arrangement.
Die Anbindung der Streben 5 an dem Gestell 12 erfolgt, wie schon eingangs erläutert, über Kardanische Aufhängungen 7 mit jeweils zwei Freiheitsgraden. In dem in den Fig. 1, 1a, 2, 2a gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Streben 5 als Gewindespin deln 5 ausgebildet, wobei eine Vorschubbewegung der Streben 5 durch Verdrehen der Mutter 6 um die Längsachse der entsprechenden Gewindespindel, realisiert ist. In den weiteren Freiheitsgraden der Kardanischen Aufhängung 7 ist die jeweilige Mutter 6 mit derselben fest verbunden, d. h. die Mutter 6 besitzt relativ zur Kardanischen Auf hängung 7 ausschließlich einen Drehfreiheitsgrad um eine Längsachse der entspre chenden Gewindespindel 5.As already explained at the beginning, the struts 5 are connected to the frame 12 by means of gimbals 7 each with two degrees of freedom. In the embodiment shown in FIGS . 1, 1a, 2, 2a, the struts 5 are designed as threaded spindles 5 , a feed movement of the struts 5 being realized by rotating the nut 6 about the longitudinal axis of the corresponding threaded spindle. In the further degrees of freedom of the gimbal 7 , the respective nut 6 is firmly connected to the same, that is, the nut 6 has relative to the gimbal 7 only a degree of freedom of rotation about a longitudinal axis of the corresponding threaded spindle 5th
Alternativ zu der Ausbildung der Streben 5 (Koppelglieder) als Gewindespindeln oder gleichzeitig mit einer derartigen Ausbildung, können zwischen den Kardanischen Auf hängungen 7 und den ersten Gelenkanordnungen 3, 4 oder 8 bzw. der zweiten Ge lenkanordnung 3a,4 Hubzylinder (nicht dargestellt) angeordnet werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein weiterer Freiheitsgrad zur Drehung der Streben um die Strebenachse durch Anordnung eines Antriebes realisiert. Eine Seite der Hubzylinder ist dabei in den Kardanischen Gelenken aufgenommen, die entsprechend weitere Seite ist mit den ersten Gelenkanordnungen bzw. der zweiten Gelenkanordnung ver bunden.As an alternative to the design of the struts 5 (coupling links) as threaded spindles or at the same time with such a design, between the gimbals 7 and the first joint arrangements 3 , 4 or 8 or the second Ge steering arrangement 3 a, 4 lifting cylinders (not shown) to be ordered. In this exemplary embodiment, a further degree of freedom for rotating the struts about the strut axis is realized by arranging a drive. One side of the lifting cylinder is received in the cardanic joints, the other side is connected to the first joint assemblies or the second joint assembly.
Bei beiden genannten Ausführungsbeispielen der Koppelglieder 5 als Gewindespindel und/oder als Hubzylinder wird ein Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Kardani schen Aufhängungen 7 und der Spindel 2 (dem Objekt) verändert.In both of the above-mentioned embodiments of the coupling elements 5 as a threaded spindle and / or as a lifting cylinder, a distance between the center of the cardanic suspensions 7 and the spindle 2 (the object) is changed.
Die vorliegende Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung ist jedoch nicht auf eine solche Veränderung des Abstandes beschränkt. Insbesondere kann bei einem festen Abstand zwischen dem Mittelpunkt der einzelnen Kardanischen Aufhängungen 7 und dem Objekt 2 eine Bewegung und/oder Positionierung des Objektes 2 über eine Ver schiebung der Kardanischen Aufhängung 7 entlang einer steuerbaren Achse im Raum realisiert sein. Beispielsweise können diese steuerbare Achse jeweils entlang der Längsachse der einzelnen Koppelglieder 5 angeordnet werden.However, the present movement and / or positioning device is not limited to such a change in the distance. In particular, with a fixed distance between the center of the individual gimbals 7 and the object 2, movement and / or positioning of the object 2 can be realized via a displacement of the gimbals 7 along a controllable axis in space. For example, this controllable axis can each be arranged along the longitudinal axis of the individual coupling links 5 .
Der bei der vorliegenden Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung nutzbare Ar beitsraum wird einerseits durch die Kollisionsbereiche der Streben 5 beschränkt, an dererseits sinkt die Steifigkeit an bestimmten Positionen im Arbeitsraum ab. Folglich sind nicht alle Schwenkbewegungen des Objektes 2 bzw. des Objektträgers 1 er reichbar bzw. sollten aufgrund einer geringem Steifigkeit vermieden werden.The usable in the present movement and / or positioning device Ar working space is limited on the one hand by the collision areas of the struts 5 , on the other hand, the stiffness decreases at certain positions in the working space. Consequently, not all pivoting movements of the object 2 or the slide 1 are reachable or should be avoided due to low rigidity.
Der nutzbare Arbeitsraum ist durch Hinzufügen einer weiteren (redundanten) Dreh achse (auch als Zusatzachse bezeichnet), welche im Maschinentisch 10 angeordnet ist, erweiterbar, wodurch eine volle 5-Seiten-Bearbeitung des Werkstückes 11 ermög licht ist. Dabei kann die Drehachse des Maschinentisches 10 mit der Z-Achse zu sammenfallen. Die zusätzliche Achse wirkt dabei im Verbund mit der vorstehend be schriebenen Parallelkinematik mit fünf Streben.The usable work space can be expanded by adding a further (redundant) rotary axis (also referred to as an additional axis), which is arranged in the machine table 10 , so that full 5-sided machining of the workpiece 11 is made possible. The axis of rotation of the machine table 10 can coincide with the Z axis. The additional axis acts in conjunction with the parallel kinematics described above with five struts.
Ein derartiges Ausführungsbeispiel mit einem drehbaren Maschinentisch 10 ist in Fig. 3 dargestellt. Die Spindel 2 ist in der dargestellten Position um rund 90° bezüglich der Z-Achse geschwenkt. Eine weitere Schwenkbewegung in einer zur X,Y-Ebene paral lelen Ebene ist nicht uneingeschränkt durchführbar, da Kollisionen zwischen den Koppelgliedern 5 auftreten würden. Mit dem Maschinentisch 10 wird die Zugänglich keit zu dem Werkstück 11 auf allen fünf Seiten erreicht. Die hohe Dynamik der Paral lelstruktur bleibt für lokale Bewegungen uneingeschränkt erhalten, wobei der Maschi nentisch 10 nicht notwendigerweise eine hohe Dynamik aufweisen muss.Such an embodiment with a rotatable machine table 10 is shown in FIG. 3. The spindle 2 is pivoted in the position shown by about 90 ° with respect to the Z axis. A further pivoting movement in a plane parallel to the X, Y plane cannot be carried out without restriction, since collisions between the coupling elements 5 would occur. With the machine table 10 , the accessibility to the workpiece 11 is achieved on all five sides. The high dynamic of the parallel structure remains unrestricted for local movements, whereby the machine table 10 does not necessarily have to have a high dynamic.
Eine weitere Vergrößerung des Arbeitsbereiches ist durch Integration der gesamten Anordnung in weitere Bewegungsvorrichtungen, insbesondere in sog. Portalanlagen, möglich.A further enlargement of the work area is by integrating the whole Arrangement in further movement devices, especially in so-called portal systems, possible.
Um NC-Programme mit maximal fünf programmierbaren Achsen auch auf derartigen Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtungen mit einem Maschinentisch 10 mit einer weiteren Drehachse ohne Einschränkung anwenden zu können, wird die NC- Steuerung mit einem Programmbaustein versehen, welcher die Aufteilung der Pro grammierachsen auf die real vorhandenen sechs Maschinenachsen (Koppelglieder 5 und Drehachse des Maschinentisches) realisiert. Dazu berechnet die Steuerung zum Zeitpunkt der Begrenzung von Beschleunigungs- und Ruckwerten der Achsen (s. g. Look - Ahead) einen Gütewert (Gütekriterium), in welchen die Maschinensteifigkeit am Arbeitspunkt und der Abstand von Kollisionsbereichen einfließen. Die redundanten Zusatzachse(n) werden so angesteuert, dass dieser Gütewert möglichst groß wird.In order to be able to use NC programs with a maximum of five programmable axes on such movement and / or positioning devices with a machine table 10 with a further axis of rotation without restriction, the NC control is provided with a program module which divides the programming axes into the six existing machine axes (coupling links 5 and axis of rotation of the machine table). For this purpose, the controller calculates a quality value (quality criterion) at the time of limiting the acceleration and jerk values of the axes (so-called look-ahead), in which the machine stiffness at the working point and the distance from collision areas are incorporated. The redundant additional axis (s) are controlled so that this quality value is as large as possible.
Folglich kann das NC-Programm in fünf Achsen erstellt werden, wobei die Steuerein heit aus diesen fünf Programmierachsen sechs Maschinenachsen generiert, indem in der Steuereinheit ein Gütekriterium berechnet und für dieses Gütekriterium ein Ex tremwert (Minimum oder Maximum) bestimmt wird. Damit wird die Position der sechsten Achse eindeutig bestimmt. Die Steuereinheit kann also fünf Programmier achsen in sechs Maschinenachsen in Echtzeit umwandeln, indem diese das zusätzli che Gütekriterium, beispielsweise einen Abstand zu verbotenen Bereichen oder eine Steifigkeit der Anordnung, auswerten und den Extremwert sucht.As a result, the NC program can be created in five axes, with the control generated six machine axes from these five programming axes by using the control unit calculates a quality criterion and an Ex for this quality criterion extreme value (minimum or maximum) is determined. This will change the position of the sixth axis clearly determined. The control unit can therefore five programming convert axes in six machine axes in real time by using the additional che quality criterion, for example a distance to prohibited areas or a Rigidity of the arrangement, evaluate and seek the extreme value.
Dabei wird diesen Achsen aber nur ein solcher Geschwindigkeitsanteil an der Ge samtbewegung zugeordnet, dass durch sie nicht die Gesamtgeschwindigkeit reduziert werden muss. Folglich wird auch mit einer eventuell langsamer drehenden Zusatz achse eine volle fünf Seiten Bearbeitung in einer Aufspannung ohne Verlust der dy namischen Vorteile der vorliegenden Bewegungs- und/oder Positioniervorrichtung realisiert.However, these axes only have such a share of the speed on the Ge associated with velvet movement so that it does not reduce the overall speed must become. Consequently, with a possibly slower rotating addition axis a full five sides machining in one setup without loss of dy Namely advantages of the present movement and / or positioning device realized.
Die NC-Programme für konventionelle fünf Seiten Bearbeitung sind ohne Anpassung auf den kombinierten Maschinensystem lauffähig. Es ergibt sich eine Strategie für die Steuerung, welche es erlaubt, NC-Programme für fünf Achsen (Koppelglieder) auch dann affektiv abarbeiten zu können, wenn die Maschine mehr als fünf Achsen (redun dante Achsen) aufweist.The NC programs for conventional five-sided machining are without adaptation executable on the combined machine system. There is a strategy for that Control, which also allows NC programs for five axes (coupling links) to be able to process affective if the machine has more than five axes (redun dante axes).
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des (Maschinen-)Gestells dargestellt. Das Gestell ist als Ikosaeder ausgebildet. Die äußeren Gelenke der Koppelglieder 5, also die Kar danischen Gelenke 7, sind jeweils auf einer Fläche des Ikosaeder - Grundkörpers an geordnet, wobei der Ikosaeder - Grundkörper eine hohe Steifigkeit garantiert.In FIG. 4, an embodiment of the (machine) frame is shown. The frame is designed as an icosahedron. The outer joints of the coupling links 5 , that is, the cardanic joints 7 , are each arranged on a surface of the icosahedron base body, the icosahedron base body guaranteeing a high degree of rigidity.
Eine entsprechende Auswahl der Ikosaederflächen, auf welchen die einzelnen Karda nischen Gelenke 7 angeordnet werden, hängt von einer gewünschten Anordnung der Streben (Koppelglieder) relativ zum Objektträger 1 ab, wobei die gewünschte Anord nung der Koppelglieder 5 abhängig vom notwendigen Arbeitsraum und den notwendi gen Schwenkwinkeln des Objektträgers 1 bestimmt wird.A corresponding selection of the icosahedron surfaces on which the individual Karda African joints 7 are arranged depends on a desired arrangement of the struts (coupling links) relative to the slide 1 , the desired arrangement of the coupling links 5 depending on the necessary working space and the necessary swivel angles of the slide 1 is determined.
Neben der beschriebenen Ausbildung des Gehäusegrundkörpers als Ikosaeder sind auch weitere Vielflächner als Gehäusegrundkörper realisierbar.In addition to the described design of the housing body as an icosahedron other multi-surface areas can also be realized as basic housing bodies.
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